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导读

 

在哺乳动物中，雌性机体的卵母细胞数量往往有限，卵母细胞拥有一套独特的表观基因组，其甲基化程度相当于精子的一半，而且卵母细胞也是一种分化程度最高的体细胞；截至目前为止，研究人员并不清楚这种独特的DNA甲基化的调控模式以及其相关的功能。

中科院生物物理所的研究人员发表了题为“Stella safeguards the oocyte methylome by preventing de novo methylation mediated by DNMT1”的研究论文，该研究首次在体内证实了DNMT1可以作为起始性DNA甲基化转移酶，打破了教科书里关于DNMT1只是维持性DNA甲基化转移酶的论断。更加令人振奋的是这篇文章的作者全部为中国人。

 

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研究结果

 

1. 通过免疫染色方法验证卵母细胞中Stella对UHRF1定位的影响。对出生后5、10、15天雌性小鼠卵母细胞进行检测，发现Stella呈现均匀分布；而20天后，Stella在细胞核中逐渐增加，UHRF1主要定位在细胞质中。敲除Stella之后，UHRF1在出生后5、10、15天雌性小鼠卵母细胞中几乎全部定位于细胞核内；但是20天后，部分UHRF1仍定位于细胞核。进一步在细胞中进行相关实验，在HEK293细胞中外源过表达野生型Stella、出核序列缺失的Stella、丧失与UHRF1相互作用的Stella以及出核转运抑制剂处理等实验，结果表明Stella能够招募UHRF1出核从而抑制UHRF1的细胞核定位。

Fig. 1 | Stella disrupts the nuclear localization of UHRF1 through nuclear export

 

2. 经过实验验证，敲除母源Stella后，有超过50%的胚胎发育停滞在2细胞向4细胞时期转变过程中，15%的胚胎能够发育至囊胚期。而单独敲除母源UHRF1或同时敲除母源UHRF1和Stella后，大约有40%能够发育至囊胚期。Stella缺失导致的UHRF1功能异常能够导致胚胎发育的缺陷。

Fig. 2 | UHRF1 contributes to a hypermethylated genome and developmental deficiency in Stella−/− oocytes

 

3. 通过分析受精后雌原核以及雄原核的DNA甲基化水平，不管是雄原核还是雌原核的DNA甲基化水平在Stella敲除之后都有显著的升高。通过分析转录组测序数据，在1311个ZGA（合子基因组激活）基因中，Stella敲除会导致167个基因表达下调，12个基因上调。ZGA基因的表达变化与启动子区域DNA甲基化的变化高度相关。表明Stella敲除导致的DNA甲基化异常会造成ZGA缺陷。

Fig. 3 | DNMT1 contributes to the establishment of aberrant methylated sites

 

4. 在Stella敲除的卵母细胞中，传统认为的维持性DNA甲基转移酶DNMT1在异染色质上的结合明显增加。而起始性DNA甲基转移酶DNMT3A的定位则没有明显变化，另一个起始性DNA甲基转移酶DNMT3B的蛋白水平则几乎检测不到。

Fig. 4 | Analysis of regulation between Stella and UHRF1

 

5. 为了明确DNMT1、DNMT3A的功能，作者进一步在卵母细胞中分别条件性敲除DNMT1和DNMT3A，进而比较DNA甲基化差异。DNMT3A敲除导致整体DNA甲基化水平显著下降，但是对于Stella敲除导致的异常高甲基化影响不大；而DNMT1敲除能够显著降低Stella敲除导致的异常高甲基化（下图）。这表明Stella敲除导致的异常高甲基化依赖于DNMT1的起始性DNA甲基化酶活性。

Fig. 5 | Analysis of DNMTs in the Stella−/− oocyte

 

文章小结         

朱冰团队的这一最新研究首次证实，过去一直被认为是维持性DNA甲基化转移酶DNMT1拥有其他功能，即起始性DNA甲基化酶活性，并揭示了Stella通过抑制DNMT1活性保护卵母细胞基因甲基化正常建立的机制，同时还阐明了DNMT1分子在有丝分裂后期细胞中的功能性角色，这或许能够帮助阐明DNMT1在机体老化过程中所扮演的关键角色。

 

解析文献

Stella safeguards the oocyte methylome by preventing de novo methylation mediated by DNMT1

 

 

参考文献

1. Shirane, K. et al. Mouse oocyte methylomes at base resolution reveal genome-wide accumulation of non-CpG methylation and role of DNA methyltransferases. PLoS Genet. 9, e1003439 (2013).

2. Smallwood, S. A. et al. Dynamic CpG island methylation landscape in oocytes and preimplantation embryos. Nat. Genet. 43, 811–814 (2011).

3. Stewart, K. R., Veselovska, L. & Kelsey, G. Establishment and functions of DNA methylation in the germline. Epigenomics 8, 1399–1413 (2016).

4. Kobayashi, H. et al. Contribution of intragenic DNA methylation in mouse gametic DNA methylomes to establish oocyte-specific heritable marks. PLoS Genet. 8, e1002440 (2012).

5. Nakamura, T. et al. PGC7/Stella protects against DNA demethylation in early embryogenesis. Nat. Cell Biol. 9, 64–71 (2007).

6. Bortvin, A., Goodheart, M., Liao, M. & Page, D. C. Dppa3 / Pgc7 / stella is a maternal factor and is not required for germ cell specification in mice. BMC Dev. Biol. 4, 2 (2004).

7. Payer, B. et al. Stella is a maternal effect gene required for normal early development in mice. Curr. Biol. 13, 2110–2117 (2003).

8. Sharif, J. et al. The SRA protein Np95 mediates epigenetic inheritance by recruiting Dnmt1 to methylated DNA. Nature 450, 908–912 (2007).

 

 

    

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